磷酸鐵鋰電池在電動汽車中的應用與回收

訾洪靜

摘 要：相應國家節(jié)能減排的發(fā)展要求，我國電動汽車行業(yè)開始快速的發(fā)展起來。與傳統(tǒng)汽車相比，主要性能結(jié)構(gòu)大同小異，最大的區(qū)別但就是動力源的不同。我國經(jīng)過反復的對比試驗，最終將磷酸鐵鋰電池當做純電汽車動力電池的主要研究方向。本文簡要說明了磷酸鐵鋰電池在電動汽車上的應用，并總結(jié)了現(xiàn)階段廢棄磷酸鐵鋰電池回收與利用的方法，也對磷酸鐵鋰電池未來的發(fā)展趨勢進行了預測。

關(guān)鍵詞：動力電池 磷酸鐵鋰電池 應用 回收

Application and Recycling of Lithium Iron Phosphate Batteries in Electric Vehicles

Zi Hongjing

Abstract：In response to the national development requirements for energy conservation and emission reduction， China's electric vehicle industry has begun to develop rapidly. Compared with traditional cars， the main performance structure is similar， but the biggest difference is the power source. After repeated comparative experiments， China finally regards lithium iron phosphate batteries as the main research direction of pure electric vehicle power batteries. This article briefly describes the application of lithium iron phosphate batteries in electric vehicles， and summarizes the methods for recycling and utilization of waste lithium iron phosphate batteries at this stage， and also predicts the future development trend of lithium iron phosphate batteries.

Key words：power battery， lithium iron phosphate battery， application， recycling

1 引言

保證電動汽車能夠良好運行的關(guān)鍵部分就是動力源，也就是動力電池部分。經(jīng)過長時間的實驗對比，鋰離子電池因其能量密度大、使用壽命長、安全性能良好、工藝流程完善、性價比高等優(yōu)勢成為了國內(nèi)電動汽車動力電源的主力軍。鋰電池種類繁多常見的有磷酸鐵鋰、錳酸鋰、鈷酸鋰等，經(jīng)過一系列的對比分析，磷酸鐵鋰電池因為安全性能優(yōu)良、使用循環(huán)壽命長、制造成本低的特點成為我國電動汽車動力電源的主要研究方向。筆者結(jié)合當前電動汽車動力電池發(fā)展現(xiàn)狀，對磷酸鐵鋰電池的應用發(fā)展與回收處理問題進行了詳細的分析，并對磷酸鐵鋰電池未來的發(fā)展進行了預測和展望，希望我電動車在動力電池研究上有所突破，并在接下來的發(fā)展過程中越來越好。

2 電動汽車動力電池發(fā)展現(xiàn)狀

與傳統(tǒng)汽車相比純電動汽車在動力傳輸系統(tǒng)上并沒有明顯的區(qū)別，且因為電動汽車無污染、運行噪音小、操作更為方便、安全性能更高等特點明顯優(yōu)于傳統(tǒng)石油燃料汽車，但是因為電動汽車動力電源性能的制約，在動力性能和續(xù)航能力上有所欠缺，進而使得電動汽車的普及和發(fā)展受到極大的限制。雖然近些年電池技術(shù)發(fā)展迅猛，但是并沒有從根本上突破蓄電池的制約，仍然存在以下的問題：首先是電池的能量密度低使得單位體積下電池的蓄電量不足，汽車續(xù)航能力依舊是電動車的一大硬傷。其次，電池的重量過重，過于笨重的蓄電池組制約了原本向輕量化發(fā)展的電動車，且因為自身自重的問題進一步影響電動車續(xù)航，也給后續(xù)的維修帶來一定的困難。最后是動力電池的壽命不長，動力電池在充電一定次數(shù)后其性能明顯下降，又因為不能像其他部件一樣可以維修，必須經(jīng)過更換才可以正常使用，這無疑大大增加了電動汽車的使用維修成本，對電動車的推廣也是一大阻力。

3 磷酸鐵鋰電池的實際應用概述

3.1 磷酸鐵鋰電池的結(jié)構(gòu)組成及其主要的工作原理

磷酸鐵鋰電池在結(jié)構(gòu)上于傳電池基本相同，主要的組成部分由正極（LiFePo4）、負極（石墨）、電池電解質(zhì)、電池隔膜、正負極引線、絕緣材料、安全控制閥門、密封圈、電池外殼等部件組成，不同生產(chǎn)廠家其內(nèi)部結(jié)構(gòu)可能有所不同，但是基本都大同小異。

磷酸鐵鋰電池的工作原理可以分為充電和放電兩種主要是由鋰離子電荷變化實現(xiàn)的。首先，在電池充電時其化學公式表達為LiFePO4-xLi+-xe-→xFePO4+（1-x）LiFePO4，即電池正極中的鋰離子從中脫離出來，在經(jīng)過電解液，進入到負極材料石墨中，實現(xiàn)電池充能;其次，由電池放電時的化學表達公式：FePO4+xLi++xe- →xLiFePO4+（1-x）LiFePO4可以看出，鋰離子從負極材料中脫離，再經(jīng)過電解液回到正極材料中，因此磷酸鐵鋰擁有良好的循環(huán)穩(wěn)定性，使其使用壽命大大延長。

3.2 磷酸鐵鋰電池在電動汽車上的應用

現(xiàn)如今中國和日本是世界上生產(chǎn)鋰離子電池的主要國家，其產(chǎn)量占據(jù)了世界鋰離子電池生產(chǎn)總量的70%左右，但是我國鋰離子動力電池的發(fā)展相對滯后，生產(chǎn)技術(shù)以及產(chǎn)品質(zhì)量依舊不能滿足電動汽車高標準的要求。因此我國退而求其次，在鋰離子電池中著重選擇了安全性和循環(huán)性更好的磷酸鐵鋰電池進行研發(fā)和拓展。

之所以選擇磷酸鐵鋰電池進行研發(fā)是經(jīng)過多年的實驗總結(jié)得出的最優(yōu)結(jié)果。因為磷酸鐵鋰電池的電池安全性更好，并具有壽命長、成本低、耐高溫、無記憶效應等優(yōu)點，使其在電動汽車使用上體現(xiàn)出了較為優(yōu)良的實際使用效果，非常符合我國電動汽車發(fā)展的需要。早在2009年，我國就啟用了由磷酸鐵鋰電池作為動力電源的電力公交系統(tǒng)，其中合肥18路公交是世界上第一條純電動公交線路，在隨后的幾年，我國有先后投入試運營了更多純電動公共交通設(shè)施，并扶持比亞迪汽車公司研發(fā)我國獨立自主的電動汽車品牌，經(jīng)過多年的研究，我國純電動汽車已經(jīng)取得了相當多可喜的研究成果。

3.3 磷酸鐵鋰電池存在的性能缺陷

任何產(chǎn)品都不是十全十美的，磷酸鐵鋰電池也有其本身的性能缺陷。首先，磷酸鐵鋰電池的低溫性能較差，在零下10℃的低溫環(huán)境中容易形成鋰枝晶，非常容易引起電池的短路，這也是磷酸鐵鋰電池一個較大的安全隱患。其次，單個磷酸鐵鋰電池雖然有著較好的平衡性，但是一旦成組成對的運作，獨立電池之間容易產(chǎn)生影響，非常容易由單個電池問題影響整個電池組安全性能。最后，磷酸鐵鋰電池的振實密度較低，一般只有0.8-1.3左右，這也就導致電池的體積較大，對汽車整體結(jié)構(gòu)設(shè)計造成一定的影響，雖然不影響整體的性能和動力，但是依舊需要將其輕量化和縮小化。

4 廢棄磷酸鐵鋰動力電池的回收與利用

4.1 磷酸鐵鋰電池回收的實際意義

磷酸鐵鋰電池相比其他種類的電池循環(huán)壽命更長、安全性能更好，因此被廣泛的應用在電動汽車上，是我國動力電池生產(chǎn)的主要種類。但是因為磷酸鐵鋰電池的平均使用壽命有限，只有不到5年的時間，所以，隨著我國電動車行業(yè)的快速發(fā)展，我國每年產(chǎn)生的廢棄磷酸鐵鋰電池將會越來越多。另外，磷酸鐵鋰電池相比其他電池具有污染性小的特點，但是如果得不到有效處理回收，依舊會對環(huán)境產(chǎn)生一定的污染。而更為詳細的數(shù)據(jù)表明，我國新能源汽車的產(chǎn)量和銷量每年都在遞增狀態(tài)，從2014年不到8萬輛到2019年的124萬輛，這種爆發(fā)式的增長除了表現(xiàn)了當代消費者對新能源汽車的認可外，結(jié)合上面所說的磷酸鐵鋰電池動力電池的壽命問題，為了不影響汽車的使用安全，就必須進行電池更換，因此大量的廢舊動力電池也隨之產(chǎn)生。截止到今年2020年我國廢舊磷酸鐵鋰動力電池的總量有可能達到12萬t至20萬t。因此，為了保護我國生態(tài)環(huán)境，建立良好的磷酸鐵鋰電池生產(chǎn)條件，就必須對廢舊的磷酸鐵鋰電池進行更為安全有效的回收處理，在實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的同時，還可以獲得一定的經(jīng)濟效益。

4.2 磷酸鐵鋰電池回收利用的方法

從磷酸鐵鋰電池的主要結(jié)構(gòu)的研究中可以得出，對于廢舊的磷酸鐵鋰電池主要需要處理的就是電池的正負極、電解液以及電車隔膜這幾個部件。正極片主要是由磷酸鐵鋰、粘結(jié)劑以及鋁箔等材料制成。電池的負極則是由活性炭材料、粘結(jié)劑以及銅箔組合而成的。在電池電解液中主要含有電解質(zhì)的鋰鹽，電池的隔膜則是聚烯烴微孔膜，這些都有回收再利用價值。因此，針對磷酸鐵鋰電池的組成結(jié)構(gòu)，在處理廢舊磷酸鐵鋰電池后可以獲得電池內(nèi)金屬材料、鋁箔、銅箔、隔膜塑料等可回收材料。這些物質(zhì)在經(jīng)過專業(yè)化的無害化處理后就可以在進行生產(chǎn)再加工，有效節(jié)約了生產(chǎn)成本。

此外，在對磷酸鐵鋰電池進行處理的時候還需要結(jié)合實際情況進行提前預處理，其中最為主要的內(nèi)容是是進行電池殘余電量放電處理。在進行電池殘余電量放電處理的過程中，針對不同類型的電池處理方法不盡相同。首先，對于體積小、含電量小的小型電池可以通過讓電解液短路的方式讓電池失活，快速的對電池進行處理。其次，在處理電動汽車內(nèi)大型動力電池的時候，因為其內(nèi)部含電量巨大，必須先用專業(yè)設(shè)備進行放電處理，只有等待電量耗盡才可以進行拆解工作，常用的處理方式是通過液氮在低溫條件下對其進行失活處理，保證工作人員和設(shè)備的安全性。

我國雖然已經(jīng)掌握已經(jīng)的電池回收處理技術(shù)，但是實際的回收利用率并不是很高，在回收處理工藝以及相應的回收管理法規(guī)上都有著巨大的提升空間，國家應該就這方面進行更多的研究。

5 未來磷酸鐵鋰電池的發(fā)展展望

在新能源汽車發(fā)展的早期階段，磷酸鐵鋰電池因其熱穩(wěn)定性優(yōu)越、安全性好、開發(fā)成本低等優(yōu)點，成為了各大廠商的首選。并隨著鋰電池關(guān)鍵技術(shù)的不斷升級，其實際表現(xiàn)越來越優(yōu)異。隨著我國對磷酸鐵鋰電池技術(shù)的大力投入，磷酸鐵鋰電池的能量密度高、體積小、使用壽命長和重量輕等優(yōu)勢在續(xù)航里程相同的情況下，磷酸鐵鋰電池表現(xiàn)的更加理想。再加上我國對磷酸鐵鋰電池回收利用技術(shù)與相關(guān)制度的逐步完善，我相信磷酸鐵鋰電池在電動汽車以及其他電動能源行業(yè)都有著越來越廣闊的發(fā)展前景。

6 結(jié)束語

綜上所述，在“既要金山銀山，又要綠水青山”的發(fā)展理念下，我國對于環(huán)境保護以及新能源技術(shù)的開發(fā)越來越重視。電動汽車等新能源汽車行業(yè)也隨之進入了發(fā)展的高速車道，磷酸鐵鋰電池由于其獨特的優(yōu)越性能，成為了當前電動汽車最優(yōu)的動力電源選擇，國家在其技術(shù)研發(fā)上投入了巨大的人力物力，而隨著生產(chǎn)量的激增，廢品回收和利用也被重視起來。希望相關(guān)技術(shù)人員不斷彌補磷酸鐵鋰電池的不足之處，為我國電動汽車的發(fā)展做出應有的貢獻。

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